超声波电机定子的压电耦合运动分析

摘要

超声波电机是一种新型电机，利用压电材料的逆压电效应激发超声振动，借助弹性体谐振放大，通过摩擦耦合产生旋转或直线运动，具有低转速、大力矩、电磁兼容性好及断电自锁等特点，在微机电系统、航空航天、医疗等对磁场敏感或有高定位精度要求的领域具有广阔的应用前景。
　　 本文基于有限元分析方法，针对小型行波超声波电机定子的结构特点，对定子振动模态、定子结构优化设计和定子齿端面质点运动特性进行研究，具体内容如下：
　　 1.概述了与本文研究相关的基础内容，包括压电耦合效应、压电材料参数、超声波电机结构、定子结构以及定子固有振动频率等。
　　 2.介绍了利用ANSYS进行压电耦合分析的注意问题，通过压电双晶片的耦合分析验证有限元方法的准确性。分析了行波的产生机理和定子表面波的特点，改变压电双晶片结构并施加两相谐波电压载荷获得行波运动。
　　 3.以RTWUSM60为例，将定子分为简化定子和有齿定子两种模型，从理论上推导了不同模型下表面质点的运动轨迹方程。分别建立有限元模型进行模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析。模态分析获得定子的最佳振动模态；谐响应分析获得定子表面质点幅频响应曲线；瞬态动力学分析则得到定子表面质点的位移随时间的变化规律。分析结果证明定子齿具有振动放大作用，定子表面质点的运动轨迹为椭圆。
　　 4.通过改变50mm直径模型的压电材料和齿形结构参数，讨论了压电材料和齿结构对固有振动频率的影响，分析了齿端面质点振幅沿定子径向的变化规律，在此基础上研究了压电材料和定子齿形结构对定子齿端面上特定位置处质点切向振幅和横向振幅的影响。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 超声电机的特点和应用

1.2.1 与电磁电机的比较

1.2.2 超声波电机的应用

1.3 国内外研究历史与现状

1.3.1 国内外研究现状

1.3.2 超声波电机技术难题

1.4 定子运动研究现状

1.5 论文研究的主要内容

1.6 本章小结

第2章 压电材料与电机结构

2.1 压电材料与压电效应

2.1.1 压电材料

2.1.2 压电效应

2.2 压电材料特性

2.3 行波超声波电机结构

2.3.1 定子结构

2.3.2 转子结构

2.3.3 压电陶瓷环结构

2.4 定子振动频率

2.5 本章小结

第3章 压电耦合分析与行波的产生

3.1 引言

3.2 耦合分析与结果处理

3.2.1 耦合分析

3.2.2 结果处理

3.3 ANSYS压电材料特性

3.4 压电晶片梁耦合分析

3.5 行波的建立与模拟

3.5.1 行波的建立

3.5.2 波形特点

3.5.3 行波的模拟

3.6 本章小结

第4章 定子质点运动方程与建模分析

4.1 引言

4.2 定子表面质点运动规律

4.2.1 定子行波的产生

4.2.2 定子表面质点运动轨迹

4.2.3 定子齿端质点运动轨迹

4.3 模型尺寸与材料参数

4.4 模态分析

4.4.1 简化定子模态分析

4.4.2 定子模态分析

4.4.3 模态分析结论

4.5 谐响应分析

4.5.1 压电陶瓷特点

4.5.2 谐波电压载荷的施加

4.5.3 谐响应分析结果

4.5.4 谐响应分析结论

4.6 瞬态分析

4.6.1 瞬态分析结果

4.6.2 瞬态分析结论

4.7 本章小结

第5章 压电材料和齿结构对定子运动的影响

5.1 引言

5.2 超声波电机定子模型

5.3 压电陶瓷对模态的影响

5.3.1 压电材料和压电效应对模态的影响

5.3.2 压电材料密度和厚度对模态的影响

5.4 齿形结构对模态的影响

5.4.1 齿高对模态的影响

5.4.2 齿高与弹性体厚度比对模态的影响

5.4.3 齿宽与齿槽宽比值对模态的影响

5.5 压电材料和定子齿对质点运动的影响

5.5.1 压电材料对质点运动的影响

5.5.2 振幅沿直径方向的变化规律

5.5.3 定子齿对质点运动的影响

5.6 本章小节

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参 考 文 献

致 谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果